Imanes y Física Cuántica – Experimento de Stern-Gerlach

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Imanes y Física Cuántica – Experimento de Stern-Gerlach

Imanes y Física Cuántica – Experimento de Stern-Gerlach. Un descubrimiento fundamental sobre la mecánica cuántica de las partículas fundamentales incluía imanes.

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Experimento de Stern-Gerlach

Se llama el experimento Stern-Gerlach, en honor a los científicos que condujeron el experimento Otto Stern and Walter Gerlach.

Lo llevaron a cabo en 1922, para poner a prueba ideas sobre las entonces nuevas teorías de la mecánica cuántica.

Ellos utilizaron dos imanes uno arriba del otro, cada uno diseñado para generar un largo y asimétrico campo magnético.

Luego dispararon partículas sin carga a través del campo hacia un blanco.

Al ser lanzados de un extremo a otro, el campo asimétrica alteró ligeramente la trayectoria de los átomos sin carga, tal como era de esperar.

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Pero sucedió algo contrario a lo previsible.

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Los experimentadores obtuvieron dos grupos de impacto, como si un mismo rayo se hubiese dividido en dos direcciones.

Stern y Gerlach apenas habían demostrado que los giros de partículas eran cuantificados, es decir que pueden ser hacia arriba o hacia abajo, pero nada más.

Descripción

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La energía de un átomo de momento magnético m en el campo magnético B viene dado por el producto escalar

E=-m·B

  • Para los átomos cuyo momento m  es paralelo a B vale  E1=-μBB
  • Para los átomos cuyo momento m es antiparalelo a B vale E2=+μBB

Los átomos pueden estar en uno u otro de los dos niveles de energía E1 y E2. Aplicando la fórmula de la distribución de Boltzmann podemos calcular la proporción de átomos que ocupan cada uno de los dos niveles de energía

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Naturalmente, n2=1-n1

n1 es mayor que n2, ya que la exponencial decreciente en el denominador no puede ser mayor que la unidad, ni menor que cero. Por tanto, hay más átomos con el momento paralelo al campo magnético que con el momento magnético apuntando en sentido contrario al campo. La sustancia presenta un momento magnético no nulo.

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<m>=nmB+n2(mB)

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Como es mucho menor que la unidad (por ejemplo, si B=1 T y la temperatura T=300 K el cociente vale 0.0045. Téngase en cuenta que mB=9.3 10-24 A m2, y k=1.38 10-23J/K), utilizando el desarrollo en serie ex=1+x+… se obtiene

El momento magnético medio es inversamente proporcional a la temperatura absoluta de la sustancia, el comportamiento de los materiales paramagnéticos.

Simulador:

Experimento de Stern-Gerlach

Clic para Ejecutar

 

 

 

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